[发明专利]一种原位掺杂的耐热隔热聚酰亚胺气凝胶及其制备方法

说明书

本发明属于气凝胶材料领域，具体涉及一种原位掺杂的耐热隔热聚酰亚胺气凝胶及其制备方法。在聚酰胺酸季铵盐链段中引入硅烷，硅烷在随后的溶解以及溶胶凝胶过程中发生水解反应形成了原位掺杂的效果。而将聚酰亚胺湿凝胶加入到硅烷水体系中则完成了在硅体系中对于聚酰亚胺组分的原位掺杂，并通过热亚胺化处理增强了掺杂相和聚合物相的结合能力。而原本聚酰胺酸湿凝胶中产生的微量二氧化硅可以为后续的硅烷水解提供硅模板和生长位点的作用，进一步提升了两者的相容性。本发明得到的气凝胶材料具有较强的耐热性和热阻性能，在高温环境下的隔热方面可以运用，而气凝胶内部存在的大量孔洞和较低密度使其在催化、过滤等其它领域有着可能的运用空间。

技术领域

本发明属于气凝胶材料领域，具体涉及一种原位掺杂的耐热隔热聚酰亚胺气凝胶及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，高性能隔热材料在深空探索、化工生产、太阳能基板等高尖端领域的运用越来广泛。高性能隔热材料能在极端条件下为电子元器件、热机、催化剂等提供稳定的温度工作环境、减少热能流失和消耗，提高产品的耐用时间和生产过程中的经济效益。

气凝胶作为一种低密度、多孔隙、高热阻的材料一经问世就得到学术界和工业部门的广泛关注。传统的二氧化硅气凝胶虽然具有较高的耐热能力，但是在实际运用中容易脱粉、脆性较大、总体机械性能较差，使其在很多领域的运用收到了局限。新式的聚合物气凝胶虽然有着较高的力学性能，但是较差的热性能使其在面对高温环境时显得无能为力。

聚酰亚胺是一种奇异的聚合物材料，长期使用温度在200℃～300℃之间，热损失温度可以达到400℃以上，具有良好的机械性能。运用聚酰亚胺制备的气凝胶材料可以有效的解决聚合物气凝胶在高温环境下的不利地位，使得高温环境下的聚合物气凝胶运用得到突破。

但在一般的聚酰亚胺气凝胶制备过程中，人们往往采用将预先制备好的掺杂材料分散在溶剂中再加入聚合物成分。在研究中已有采用改性的方法以提高掺杂材料在溶胶体系中分散性的方法(Tianyi Zhang, Yan Zhao, Xuekuan Li, Xiaoyi Ma, Shuang Li,Mingchen Sun, Hansong Liu, Kai Wang, (2021) Ultralight and heat-insulatingmesoporous polyimide aerogels cross-linked with aminated SiO₂ nanoparticles,Microporous and Mesoporous Materials, Volume 319)。但掺杂材料的分散性再优异也难以避免团聚等现象的发生，在某种程度上减少了掺杂材料对于性能的改善程度。

本发明通过改性方法在直接对聚酰胺酸季铵盐链段进行改性引入硅烷并在后续的溶解以及溶胶凝胶过程中，硅烷脱离聚合物链段在水相中直接发生原位掺杂，极大的提高了掺杂体系在聚酰亚胺气凝胶中的分散性，形成了新的界面，赋予了聚酰亚胺气凝胶更强的耐热性能和热阻性能，进一步拓宽了聚酰亚胺气凝胶的运用空间。而将聚酰胺酸湿凝胶添加到硅烷体系中后，湿凝胶提供的水在使体系中的硅烷充分水解，在原本老化形成的二氧化硅模板上，从而在硅酸体系中原位掺杂聚合物相的效果。经过测试证明了该气凝胶具有较好的疏水性和相较同类产品更低的密度。可以展望本发明制备的轻质多功能的原位掺杂聚酰亚胺气凝胶在有机吸附、尾气处理、化工催化、热损失保护甚至航空航天中对于设备的保护等低、中、高端领域都具有其可能的运用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以用于大规模工业制备、应用广泛、制备过程兼容性好的改性聚酰胺酸季铵盐和原位掺杂的聚酰亚胺气凝胶的制备方法。本发明取消了一般掺杂聚酰亚胺气凝胶中麻烦的掺杂材料的制备和分散过程，使得制备工艺更加简便，且降低了工艺成本。而使用原位掺杂极大的提高了气凝胶材料中掺杂相的分散性，提升了材料的微观结构。通过改性带来的原位掺杂使得聚酰亚胺气凝胶的具备了良好的隔热和耐热能力。